毕业论文-编组站推峰机车无线遥控系统.doc

毕业设计（论文）中文题目： 编组站推峰机车无线遥控系统 学习中心（函授站）： 哈尔滨铁路局函授站 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 刘金涛 学 号： 12617978 指导教师： 张岩 北京交通大学远程与继续教育学院2019年1月- 1 -北京交通大学毕业设计（论文）中文摘要编组站推峰机车推峰速度的控制是编组站驼峰自动化的重要环 节，现行的控制方法是由司机根据主体信号进行手动控制。但在大型 的编组站具有多条推送线的情况下釆取手动控制，难以很好的实现多条推送线之间协调运作，不适应大型编组站货物流量较大和解编效率 要求较高的特点，再加上编组站不良环境的影响，使得手动控制也存 在着一些安全隐患。本文在研究无线遥控的基础上，应用经典的闭环控制和PID控制理论建立了控制推峰机车推峰速度的调速模型，并引入了新的定位模 块，提高了推峰机车控制系统的安全性与稳定性。本文还介绍了利用 测试电路对系统硬件的输入输出功能进行了功ig仿真。此项无线遥控 机车技术在信号防护、列车控制、重载运输等方面具有广阔的应用前景。关键词 编组站 推峰机车 无线遥控 低恒速 新定位技术 Abstract:The automatic control for humping speed in marshalling station is an important sector of marshalling stations automation. The current way of control depends on drivers manual control ordered by main signal. But the manual control cant accomplish the coordinating among the tracks of hump in some large marshalling stations, which have a great amount of goods and high efficiencys demand of marshalling. Otherwise, bad weather makes the manual control exist some problems of security in marshalling station.Based on the research of radio remote control, this paper establishes a speed model by using the theories of classical closed-loop control and PID control The new location technology is introduced into this model That promotes the systems security and credibility. And this paper also introduces the simulation of system input and output function. This radio remote control technology has broadness foreground in application of signal protection, trains control, railway heavy haul traffic and etc.Keywords: marshalling station, humping train, radio remote control,low-constant speed,new location technology- 3 -目 录前言.9第一章 概述.10第一节 编组站简介 10第二节 编织站自动化的作用 .11第三节 国内外发展概况 11第二章 系统介绍14第一节 系统功能 14第二节 技术方案 16第三节 技术指示 17第三章 系统工作原理19第四章 建模方式20第一节 相关知识介绍20第二节 建模过程，流程推导，公式推导30第三节 软件流程 37第五章 系统架构42第一节 车载部分43第二节 地面部分45第三节 模拟电路47第六章 系统应用前景50附录 55参考文献59前言：铁路货物运输以其运送能力强、运程远、运价低，连续作业等特点，成为当今世界上货物运输的重要方式。尤其在我国，由于幅员辽阔，地形复杂，人口众多，生产力还不是很发达，使得铁路运输在国民经济中的地位尤其突出。编组站是铁路运输的重要环节，在编组站进行大量的调车作业。提高编组站调车作业的质量和效率，对整个铁路网的通过能力、改编能力、作业安全等都起着重要作用随着流通领域的开放、改革和国民经济的飞速发展，作为国民经济命脉的铁路运输也呈现前所未有的繁忙景象。各大编组场，特别是像郑州北这样的枢纽编组场均达超饱和状态，在这种情况下，如何运用现有站场设备，提高站场通过能力，增加站场的解编能力，使铁路运输畅行无阻，是我们应着重解决的问题。而在驼峰编解作业中，推峰机车的作业是一个重要环节。若能使机车根据溜放作业状况来选择最佳的推峰速度，即实现变速推送，同时使预推作业的停车点尽可能接近峰顶，缩短进入主推的运行时间，则能大大提高驼峰解体效率缩短车体在峰顶上的滞留时间，要实现这一目标，就要在机车上加装无线遥控系统，使站场工作人员根据站场实际状态与车流状态通过无线电台来指挥推峰机车的工作，使其在确保安全与满足站场要求的前提下，能发挥出较髙的工作效益。我国第一个应用推峰机车无线遥控系统的站场是北京的丰西编组场，在近二十年的时间里经过三代人的努力，推峰机车遥控系统，从全硬件逻辑电路控制到微计算机控制，从音频编码发展到数字编码，不断地得到改进与发展，郑州北枢纽编组场所使用 的全计算机制式的推峰机车无线遥控系统的研制成功，使我们在这一领域中又前进了一大步，为我国驼峰自动化做出了巨大贡献。在电子数字信息高度发展的今天，电子技术日新月异，对驼峰自动化系统安全性、稳定性、可维护性以及建设维护费用等方面有了更高的要求，并逐步要求完善自动化驼峰的数字化与信息化。近年来，嵌入式系统在工业控制方面得到越来越广泛的应用和发展，使得控制系统的功能不断强大，并可以利用高级语言对 控制程序进行编制和调试,提高了系统设计的灵活性与可扩充性另外，现代计算机控制理论也不断应用于工业控制领域，成为当今的工业控制与计算机紧密的结合起来。本文将结合原先的经典闭环控制理论和PID控制理论，在推峰机车实际动力机构的基础上建立推峰机车以低恒速推峰的调速模型。- 5 -北 京 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）第一章概述第一节编组站简介编组站是铁路网上办理货物列车解体，编组作业，并为此设 有比较完善的调车设备的车站。其主要设备有到发线(场）、调车 线(场）、驼峰、牵出线以及机务段和车辆段等。编组站按其在铁路网上所起的作用可分为路网性、区域性和 地方性等类别：按采用的调车设备类型可分为自动化、机械化和 非机械化等类别；按其调车设备的设置和数量可分为单向编组站 (上、下行方向共享一套调车设备)和双向编组站(上、下行方向各 设一套调车设备)：按每套调车设备主要车场的相互位置又可分为 横列式布置(到发场与调车场并列布置)、纵列式布置(到达场、调 车场、出发场顺序纵列布置)和混合式布置(到达场和调车场纵列 布置，出发场和调车场并列布置)等类别。编组站的主要布置图形有单向横列式、单向混合式、单向纵 列式和双向纵列式。编组站的主要任务是根据列车编组计划的要求，大量办理各 种货物列车的解体和编组作业，并且按照运行图规定的时刻正点 接发车。在铁路上，编组站是铁路运输的重要生产基地，大量装载货 物的重车和卸货回送的空车，在这里汇集后被编成各种列车开往 各自的目的地-从这个意义上讲，编组站实际上是一个编组列车 的工厂在铁路的各种车站中，编组站拥有的技术设备较多，作业量 大，作业过程也比较复杂，车辆在站的停留时间也较长。这些， 都直接影响到运输生产指标的好坏。因此，编组站在路网上的布 局是否合理，编组站的工作组织，技术设备是否完善与先进，对 于加速机车车辆周转，完成货物运输任务，降低运输成本都有重 要作用。因此，铁路必须十分重视编组站的建设和发展，积极促进编 组站设备和作业的逐步现代化。- 6 -北 京 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）第二节编组站自动化的作用 1.到达场 2.编组场 3.出发及通过车场 4.与车辆段联合布置的机务段配置方案 5.车辆段 6.机务段 7.驼峰 8.整备设备/无线遥控系统采用了计算机控制机车，使系统工作于既能控制机车工作，又能监视机车的工作状态，这在我国还是首创。不仅应用在自动化驼峰，在半自动化驼峰也同样发挥其作用，在现场的应用中，不仅明显的提髙了解体效率，也减轻了司机的工作强度，因此，很受车站、司机的欢迎，该系统在推广应用中，不断的进行向更完善的方向改进，目前已形成系列产品。最新型的 T*Y3型无线机车遥控系统在结构、性能方向，均有较大的提高。第三节国内外发展概况推峰机车遥控系统是编组站自动化系统的重要组成部分之一，工业发达国家均很重视此项技术的研究及应用。目前，在美国，日本，德国，法国，加拿大及原苏联等主要工业国家的主要编组站均使用了此项技术- 1：国外情况美国是较早应用该项技术的国家之一。目前在自动化的编组 站中均使用推峰机车遥控系统。在美国，生产推峰机车遥控设备 的公司主要有两家，一家是美国联合道岔信号公司（UMION SWITCH&SIGNAL DIVISION),家是通用铁路信号公司（GENERAL RAILWAY SIGNAL COMPANY)而目前，由于市场饱和，只有美国联 合道岔信号公司提供的20世纪70年代定性的产品。该种产品使 用无线遥控方式，控制命令是采用调制编码，可以控制驼峰的4 台推峰机车工作，控制对象的选择是由值班员人工选取。机车推 峰速度控制在1 一5km/h范围内变动。机车工作情况不反馈给值班 员。该系统主要是配合美国生产的调车机车使用。若与其他系统 构成编组站自动化系统时必须增加其他设备配合使用。系统是由分离器件及集成电路组成，未采用计算机技术。在日本，从20世纪60年代就开始研制及应用推峰机车遥控 系统，它使用的系统在制式上与美国有相近的地方，成为SLC的无线遥控系统，使用电码传送方式，可呼叫4台工作机车，由值班员或计算机选择工作机车并发送控制指令，同样没有机车工作 信息的反馈装置，系统也是由分离器件及集成电路组成。在加拿大，以引进美国技术为主，也在自动化编组站应用机车遥控系统，而在近年新建的自动化编组站上，推峰机车遥控系统有了新的发展，开始应用微处理机技术。在西欧，近年来，在自动化编组站广泛的使用推峰无线机车遥控技术，并且在技术水平上有了进一步的发展。如在德国马胜 (MASCHEN)自动化编组站釆用的推峰机车遥控系统，己应用20世 纪80年代的计算机技术，将微处理机应用在机车控制中，并具有 自控功能，是目前国际上较先进的技术方案。在原苏联，据资料介绍是釆用中频感应方式(40kHZW调频信 号)的推峰机车遥控系统,需要在整个到达场铺设电缆作为命令的 传输通道。从国外的情况看，绝大部分国家均采用无线遥控方式。认为此种方式运营费用最小，而且工作灵活，施工方便（在站场中铺 设电缆少，工程量最少)，各个国家均根据本身的具体运营条件提 出各自认为最合理的方案。而且今年，随着技术的进一步发展， 国际上己将遥控技术及计算机技术相结合，是推峰机车无线遥控 系统有了新的发展。在国际上认为，应用推峰机车遥控系统将能 使编组站的解体效率提高10%左右。若采用推峰机车自动控制系 统，可使编组站解体效率提高15%左右但是，目前国外使用的方式均需值班员选择推峰机车进行工作，只有部分于计算机接口 的可以通过计算机进行选择，需要通过人为措施保证推峰作业的 安全。机车均为反馈信息给值班员，值班员在推峰作业过程中必 须通过其他途径了解推峰机车工作情况，这与我国编组站作业的 要求有一定的差距。2：国内情况我国在推峰机车遥控技术要就方面起步较晚，从1976年开始 进行研制。在研制工作中可以分为两个阶段：第一阶段为 19761984,第二阶段为1986年至目前。在第一阶段主要是根据 我国编组站的工作特点，对推峰机车遥控系统的工作基本方案， 机车遥控系统对提高编组站解体效率的作用以及设备的研制进行 了大量的工作，结合我国编组站的特点，研制适合我国国情的遥 控设备打下了基础。到目前为止，我国研制出的新型推峰机车遥 控系统均是上述方案基础上发展完善。我国的第一代产品是根据 我国当时的电子工业水平，应用分离器件及中小规模集成电路组 成。系统的全部功能釆用逻辑电路实现，这与国外20世纪70年 代的同类技术水平相当。其主要功能如下；(1) 在预推作业时，可以实现定速推送及定距离停车。(2) 在主推作业时，是按驼峰信号条件给出 Skm/h, 7km/h, lOkm/h三种推峰速度及迂回线送车，后 退，停车等控制功能，为信号显示带冒控制的方式。根据我国编组站作业特点：作业量大，有的站场大车组较 多，推峰速度高，推峰速度要求变化较大的特点，在系统的设计 思路及系统功能上要比国外设计考虑更多的安全防护条件。为此, 在如下两方面作了特殊考虑：(1) 方案设计了对象选择设备,推峰机车不需值班员确定， 而是通过办理推峰进路自动选出推峰机车。保证在任 何时候机车也不会错误工作。系统的工作是与地面信 号设备及车列的推峰进路具有连锁功能，是值班员控 车手续简便，并能安全的办理推峰作业。(2) 为了能使值班员了解推峰机车的工作状态，确认推峰 机车工作正确，在推峰机车工作时，可通过无线通道 将机车收到的控制指令及机车的实际的推峰速度显示 在驼峰值班员控制台上，使值班员能更好的了解机车 作业全过程，更好的掌握推峰速度。在第一代遥控系统研制期间，研究人员与现场运用人员共同 对遥控系统的实际运用进行了测试，证明了在编组站应用遥控系 统控制机车进行推峰作业，明显的提高了解体效率，通过我国第 一代推峰机车遥控系统的研制与应用，使大家认识了它在提高解 编效率上所起的作用。但是，自1986年开始，我国开始使用新型调车机车（东风7 型)，而且编组站自动化控制技术又有了新的发展。原有的推峰机 车遥控系统在功能扩展及工作灵活性等方面受到了限制，因此， 在原有系统功能基础上研制新的推峰机车遥控系统以适应新型推 峰机车工作要求及自动化控制技术的发展是很必要的。为此，我国从1986年开始开展了新型推峰机车遥控的研究工作。从20世纪80年代开始，微机技术飞速发展，应用的领域不 断扩大。由于我国执行了对外开放及经济改革政策，引进了国外 先进的计算机技术，是国内的计算机工业有了很大发展。现在国 内以能生产出性能优越的工业控制微机，它们可以应用与机载及 车载条件，在较恶劣的条件下能稳定可靠工作，并且性能价格比 也日趋合理。因此，研制采用微机控制的机车遥控系统己有可能- 同时，作为“七五”国家重点攻关科研工程的郑州北站上行场自 动化工程，要求釆用国内或国际的新技术。在这样的条件下，从 1986年开始，结合郑州北站上行场工程及东风7型内燃机车开展 了釆用工业控制微机技术的驼峰机车无线遥控技术的研究工作， 并在1989年完成了全部研制及试运营工作-通过了国家级的技术 鉴定。90年代以来，数字电子技术和计算机控制技术又有了长足的 发展，为了适应新时期对编组站自动化控制系统的功能的可扩充 性和安全稳定性的要求，我国又准备研制新定位系统的机车无线 遥控系统，该项系统采用新型的点式应答器和GPS技术，并在原 有系统硬件的基础上进行了相应的改进，能提髙系统设备运行的 稳定性，节省施工建设成本和后期维护费用。第二章系统介绍第一节系统功能推峰机车无线遥控系统主要用于驼峰场对推峰机车实行推送 速度控制。其工作范围是从推峰机车与到达场之间进行解体作业 的列车连挂后开始,直至列车解体完毕为止的整个推送作业过程。 包括列车解体过程的预先推送作业及主推作业。系统在推送解体 过程中有如下功能：- 9 -北 京 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）(1) 定速度控制：在预先推送过程中，机车遥控的预先 推送命令可使机车自动起动、加速，并保持一个固 定的速度运行。在系统中，可根据预推作业的要求 确定其推送速度，先分为快推送和慢推送两个等级。 当前快推送为10km/h,慢推送为Skm/K(2) 定距离停车控制：为了保证车载预先推送作业中较 准确、安全的停在要求的停车位置，设置了定距离 停车控制功能-在具有双推送线的驼峰场，要求列 车停在峰顶信号机前方。在具有四推送线的驼峰场, 根据电气集中电路要求，列车停在四条推送线的内 方。在列车进入预推停车控制区段时，机车上的遥 控设备自动记录机车走行距离，并按照设计的停车 曲线自动减速在制定的距离（在四推送线驼峰场 列车进入推送线不超过40米，在双推送线驼峰场列 车进入峰顶，距峰顶信号机50米10米）停车。(3) 停车控制：在主推作业或预先推送作业时，机车受 到停车控制命令或控制命令传送发生中断超过规定 时间，遥控系统均使机车制动停车。(4) 变速度控制：在主推作业时，为提高解体效率，要 求实现变速溜放。即值班员可根据解体作业的要求, 随时要求机车改变推峰速度。在本系统中，值班员 可以通过控制台上的控制速度按钮给出八种主推送 控制速度，给定的控制速度数值可根据站场作业的 要求进行调整。郑州北站上行场规定为：12km/h、 10km/h、7km/h、5km/h、3km/h；禁溜线送车时规 定为：5km/h、3km/h两种速度：在机车后退作业时， 车速不大于7km/h。值班员还可以通过控制台的控 制按钮同时发送控制命令及开放驼峰信号。(5) 机车启动时，若机车启动困难，能自动停车、转换 方向，使列车自动后退一定距离后再重新起车。(6) 机车在调速控制时，可以模拟司机提升或降低控制 器手柄。不同机车类型选用相应的接口电路以适应 其工作性能，无需改变整机即可适用于现有的各种 内燃调车机车车型。(7) 在调速及停车过程中，能实现七个等级的压力自保 制动，最大的制动力可根据工作需要进行调整。目 前在郑州北站的东风7型内燃调车机车上使用了四个等级的压力自保制动。其制动压力分别调整在以 一级制动为0.6kgf/cm2左右、二级制动为 l.Okgf/cm2左右、三级制动为1.8kgf/cm2左右、四 级制动为2. 5 kgficm1左右，能实现主级制动及逐级 缓解，其制动及缓解时间符合使用要求。(8) 机车由前进变后退或由后退变前进，均首先实行停 车控制。只有在停车状态下才能改变换行方向-(9) 在司机室设有控制命令及遥控设备工作显示器，为 司机监视车上的系统工作过程提供依据。显示器显 示的内容有：地面发送的控制命令内容，机车实际 走行速度、预先推送作业过程中的定距离停车显示、 机车前进或后退表示、调速控制挡位的变化情况及 制动压力等级显示等内容。(10) 在值班室控制台及机房设备上均设有机车工作回执 表示信息显示，一旦设备发生故障均能使值班员及 机房维修人员及时发现。(11) 系统与推送线、到达场及编组站的信号联锁，保证 遥控命令的发送及接收与驼峰信号及驼峰辅助信号 相符合(12) 推峰作业过程中，系统可对作业进行监控并对系统 工作的重要信息进行记录及保存。在作业过程中， 机车设备可以不断向地面送回推峰机车的作业工 况。在驼峰信号楼控制台上有遥控工作显示，包括 机车是否使用遥控、使用遥控后的实际推峰速度、 推峰作业的股道及推送线等，使值班员了解遥控设 备的工作全过程。对上述信息进行存盘保存，一旦 推峰作业发生故障时，可根据存盘数据分析。同时, 地面设备及机车设备均有必要的故障报警功能。第二节技术方案推峰机车遥控系统在功能上由三部分组成。即遥控对象选择 设备：控制命令发送及检测信息接收设备；机车控制设备。由遥控对象选择设备来确定遥控哪条股道上的机车来进行推 峰作业，可以釆用由每条股道入口处的股道号发送箱送出股道代 码信息，机车通过机车股道号接收装置接收股道代码，从而进行 股道号识别，另外也可采用在机车经过的股道入口处及出口处安 装无源点式应答器，由点式应答器发送股道代码信息，再由机车 上的感应器接收，实现定位操作。控制命令发送设备由地面主机和天线组成，负责发送包括股 道选择编码和命令控制编码在内的机车遥控信息，接收由机车发 回的回执信息，对遥控信息和回执信息进行记录比较，如出现问 题可及时报警，地面主机釆用双机热备，可以在发生故障时自动 切换。机车控制设备由车载主机、车载感应器、电台天线组成。车 载主机接收由地面发送的控制信息并控制机车进行实际的推峰作 业，通过车载感应器釆集的数据来调控机车的走行速度，在司机 显示器上显示各种遥控命令信息和机车实际走行状态，不断向地 面设备发送回执信息。第三节技术指标系统控制指标：(1) 无线遥控距离多2500m(2) 地面控制驼峰机车推峰速度的变化范围为04.167m/s(每 变化0.278m/s为一个控制等级X(3) 驼峰机车推峰速度精度：90%以上速度误差小于 土 0.278m/s。(4) 系统可同时控制四台推峰机车进行作业。(5) 系统可根据不同编组站的要求，实现四推双溜作业方式、 双推双溜作业方式以及双推单溜作业方式。(6) 遥控系统上的车载设备可根据遥控命令，应能够完成机车 的自动起动、速度自动调整、后退、制动、停车与自动鸣 笛等一系列功能。并可靠的实现司机手动操纵与计算机控 制操纵的相互转换。(7) 推送作业启动困难时，车上设备可停车，按r的绕组称为长距绕组。常用的是整距和短距绕组。(四）槽距角a相邻槽之间的电角度叫槽距角a。由于定子槽在定子内周上,是均匀分布的。如Q,为定子槽数，p为极对数，则槽距角/7-360 a = (五）每极每相槽数q每一个极下每相绕组所占的槽数，成为每极每相槽数，用符 号q表示，2 pm式中m相数。 - 21 -北 京 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）三相交流同步发电机：同步机是一种交流电机，其特点是在稳定运行时，其转速n与定子电流的频率/有着严格不变的关系，即：W =P磁极在定子中逆时针转动，使在靠近铁心内表面的槽里的导 体A产生了感应电动势用空间角度来衡量转子表面的空间距离，如果电机有/对 主磁极，即p对极电机，对应的总空间电角度为0X360，而机 械角P永远是360, :.cc=jP。基波磁密-8, =5m sincr = _6 sin xmmT方为8的最大值，a为电角度。 e - BJv式为气隙磁密，/为切割磁感线的导体有效长度，V导体垂直切割磁感应线的相对线速度。(0 =27qjn/60 单位：rad/s 或=360pw/60 ( )/s当时间过了 t秒后，导体A移到了 a处，这时a = 则气 隙磁密为：Bx - Bn sin a =Bmsm0 t于是导体A中感应的基波电动势瞬时值为 e = BJv = BJv sin co t = Em sin a 1 = -j2Esm a t式中是导体中基波感应电动势的最大值，E是基波 感应电动势的有效值。当电机的转子每转一圈，由于转子上有；?对主磁极，导体A 中基波电动势变化了；?周，己知电机每秒转了 n/60转，所以导体A基波电动势的频率f 为：/ = /?n/60 (Hz)用频率f来表示转子的电角速度必时有：co=27ipnl6Q = 2对 (rad/s)导体中感应基波电动势的最大值为：K = BJv =營 0)/(2/) = KfBJz = 式中=&5是气隙磁密的平均值；71 = BJr是气隙每极基波磁通量；v = 2pr = 2rf,其中r是定子内表面用长度表示的极距。导体基波电动势（有效值）为 E = 2.22/巾 式中0)的单位是Wb;E的单位是V。整距线圈的基波电动势为：& = 2五=2 x 2.22/1) = 4.44仲 如果线匝不止一匝，而是灰y匝串联，就称为线圈。一个线圈两边 的距离叫节距，用空间电角度表示，巧-几的线圈是整距线圈. 整距线圈基波感应电动势为y = 4.44 fWy电机每对极下的每相基波感应电动势为Eax = lEykq =4A4fqWykq式中五,为整个整距线圈的基波感应电动势；sin()_称为基波分布系数，其中=为定子相临两q . ozasm 2槽之间的槽距角：式中q 一为每相在每极下的槽数，其中z为定子上的总槽数， 2mpm是相数，p为极对数。三相交流发电机的绕组并联支数用a表示时，每相基波电动势为:= 4.44/0) a AAAfWkqb是一相绕组串联的总匝数；a为基波绕组系数，在这里&0.934;串励直流电动机：串励直流电动机其接线图如下所示，就是将串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，其励磁电流&等于电枢电流I,气隙主磁通5随而变化，这是串励电动机的特点。因此，串励电动机的电动势平衡方程式，转矩平衡方程式电动势公式及转矩公式为 U = E0+IaRd+ JfRs = CM + Ia Rd + Rs)Tcm=Ca=CMIfI0=CMll 可得电机转速n =C：/a C； 式中，Rd串励电枢电组；Rs串励励磁电阻：K回路总电阻，即为之和：C: = C,Kf C: = CMKfKf表示主磁通与励